(57)【要約】ロボット関節は第１リンク、中間リンク、トルク発生器、第２リンク、およびロック機構を有する。中間リンクの各端部が第１リンクおよび第２リンクに結合される。トルク発生器は、第１リンクおよび中間リンクに結合され、これらのリンクの間のトルクを発生させる。ロック機構はロック状態およびロック解除常置の間を切り替え可能である。ロック解除状態において、ロック機構は、第２リンクの中間リンクに対する第１および第２回転方向の自由回転を許容する。ロック状態において、ロック機構は、第２リンクの中間リンクに対する第１回転方向の回転を妨げ、第２リンクの中間リンクに対する、第１回転方向と逆の第２回転方向の回転を許容するように構成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１リンクと、
中間リンクであって、第１端部および第２端部を有し、当該中間リンクの第１端部が上記第１リンクに回転可能に結合される、上記中間リンクと、
上記第１リンクおよび上記中間リンクの間に受動的なトルクを発生させるように構成されたトルク発生器と、
上記中間リンクの上記第２端部に回転可能に結合された第２リンクと、
ロック機構とを有し、
上記ロック機構はロック状態およびロック解除状態の間を切り替え可能であり、
上記ロック機構が上記ロック解除状態のときに、上記ロック機構は上記第１リンクが上記第２リンク１１０に対して第１回転方向および第２回転方向に自由に回転するのを許容し、
上記ロック機構が上記ロック状態のときに、上記ロック機構は、上記第１リンクが上記第２リンク１１０に対して上記第１回転方向に回転するのを妨げ、上記第１リンクが上記第２リンクに対して、上記第１回転方向と逆方向の上記第２回転方向に回転するのを許容するように構成されることを特徴とするロボット関節。
【請求項２】
上記第１リンクの上記中間リンクに対する回転の軸、および、上記第２リンクの上記中間リンクに対する回転の軸が実質的に相互に平行である請求項１記載のロボット関節。
【請求項３】
上記第１リンクの上記中間リンクに対する回転の軸、および、上記第２リンクの上記中間リンクに対する回転の軸が実質的に相互に一致する請求項１記載のロボット関節。
【請求項４】
上記ロック機構が上記ロック状態のとき、上記ロック機構は、上記第２リンクを上記中間リンクに対して上記第１回転方向にロックし、上記第２リンクが上記中間リンクに対して、上記第１回転方向と逆方向の上記第２回転方向に回転するのを許容するように構成される請求項１記載のロボット関節。
【請求項５】
アクチュエータをさらに有し、上記ロック機構は上記中間リンクを上記第２リンクに対して上記アクチュエータによってロックする請求項０記載のロボット関節。
【請求項６】
上記アクチュエータは、電気モータ、トランスミッション付き電気モータ、ソレノイド、油圧アクチュエータ、および空気圧式アクチュエータからなるグループから選択された１の要素または要素の組み合わせを有する請求項０記載のロボット関節。
【請求項７】
上記トルク発生器は、空気圧式シリンダ、油圧シリンダ、油圧部品付きのシリンダ、空気圧式部品付きのシリンダ、ガススプリング、空気スプリング、油圧ダンパ、ロック可能ガススプリング、ロック可能ダンパ、圧縮スプリング、引張スプリング、およびコイルスプリングからなるグループから選択される請求項１記載のロボット関節。
【請求項８】
上記ロボット関節は、矯正用脚部の一部であり、上記矯正用脚部の膝ジョイントとして機能可能であり、
上記第１リンクおよび上記第２リンクの一方が人の大腿部に結合されるように構成され、
上記第１リンクおよび上記第２リンクの他方が人の脛部に結合されるように構成される請求項０記載のロボット関節。
【請求項９】
上記ロボット関節は、矯正用脚部の一部であり、上記矯正用脚部の膝ジョイントとして機能可能であり、
上記第１リンクおよび上記第２リンクの一方が人の大腿部と同調して運動するように構成され、
上記第１リンクおよび上記第２リンクの他方が人の脛部と同調して運動するように構成される請求項０記載のロボット関節。
【請求項１０】
上記ロック機構は、上記第２リンクが上記中間リンクに対して上記第１回転方向に回転するのを、第１摩擦表面および第２摩擦表面の間の摩擦力によって妨げるように構成される請求項０記載のロボット関節。
【請求項１１】
上記第１摩擦表面は上記中間リンクに結合されたアーバーの外側表面であり、
上記第２摩擦表面はラップスプリングの内側表面であり、上記ラップスプリングは当該ラップスプリングの第１端から上記第２リンクに結合され、
上記アクチュエータは、上記ラップスプリングの第２端を移動させることにより、上記アーバーの上記外側表面と上記ラップバネの上記内側表面との間に圧力を加える請求項１０記載のロボット関節。
【請求項１２】
当該ロボット関節から少なくとも１つの脚部信号を受領するように動作可能な少なくとも１つのコントローラをさらに有し、上記コントローラは、上記少なくとも１つの脚部信号に基づいて上記ロボット関節をロック状態に移行させるように構成される請求項０記載のロボット関節。
【請求項１３】
上記少なくとも１つの信号は、上記第１リンクまたは上記第２リンクの一方であって上記人の上記大腿部に連結された、上記一方の、垂直重力線および人の胴体と実質的に平行な線からなるグループから選択された線に対する絶対角度を表す請求項０記載のロボット関節。
【請求項１４】
上記少なくとも１つの信号は、人の大腿部の、垂直重力線および人の胴体と実質的に平行な線からなるグループから選択された線に対する絶対角度を表す請求項０記載のロボット関節。
【請求項１５】
上記コントローラは、上記少なくとも１つの脚部信号が上記人の上記大腿部の、上記垂直重力線および上記人の上記胴体と実質的に平行な上記線からなる上記グループから選択された上記線に対する上記絶対角度が予め定められた最大の正の大腿部角度より大きいと示すときに、上記ロボット関節を上記ロック状態に移行させるように構成される請求項０記載のロボット関節。
【請求項１６】
上記コントローラは、上記少なくとも１つの脚部信号が上記人の上記大腿部の、上記垂直重力線および上記人の上記胴体と実質的に平行な上記線からなる上記グループから選択された上記線に対する上記絶対角度が予め定められた最小の負の大腿部角度より大きいと示すときに、上記ロボット関節を上記ロック解除状態に移行させるように構成される請求項０記載のロボット関節。
【請求項１７】
上記コントローラは、少なくとも１つの脚部信号が、上記第１リンクまたは上記第２リンクの一方であって上記人の上記大腿部に連結された、上記一方の、上記垂直重力線および上記人の上記胴体と実質的に平行な上記線からなるグループから選択された上記線に対する絶対角度が予め定められた最大の正の大腿部角度より大きいと示すときに、上記ロボット関節を上記ロック状態に移行させるように構成される請求項０記載のロボット関節。
【請求項１８】
上記コントローラは、少なくとも１つの脚部信号が、上記第１リンクまたは上記第２リンクの一方であって上記人の上記大腿部に連結された、上記一方の、上記垂直重力線および上記人の上記胴体と実質的に平行な上記線からなるグループから選択された上記線に対する絶対角度が予め定められた最小の負の大腿部角度より小さいと示すときに、上記ロボット関節を上記ロック解除状態に移行させるように構成される請求項０記載のロボット関節。
【請求項１９】
上記少なくとも１つのコントローラに対して手動ロック信号を発生するように動作可能な手動ロック装置をさらに有し、上記手動ロック装置が人によって起動されたときに、上記ロック機構が上記ロック状態に移行する請求項０記載のロボット関節。
【請求項２０】
上記少なくとも１つのコントローラに対して手動ロック解除信号を発生するように動作可能な手動ロック解除装置をさらに有し、上記手動ロック解除装置が人によって起動されたときに、上記ロック機構が上記ロック解除状態に移行する請求項０記載のロボット関節。
【請求項２１】
第１リンクと、
中間リンクであって、第１端部および第２端部を有し、当該中間リンクの第１端部が上記第１リンクに回転可能に結合される、上記中間リンクと、
上記第１リンクおよび上記中間リンクの間に受動的なトルクを発生させるように構成されたトルク発生器と、
上記中間リンクの上記第２端部に回転可能に結合された第２リンクと、
人の大腿部の、垂直重力線および上記人の胴体と実質的に平行な線からなるグループから選択された線に対する絶対角度を表す脚部信号を生成するように動作可能な少なくとも１つの脚部センサと、
ロック機構であって、上記ロック機構はロック状態およびロック解除状態の間を切り替え可能であり、
上記ロック機構が上記ロック解除状態のときに、上記ロック機構は上記第１リンクが上記第２リンク１１０に対して第１回転方向および第２回転方向に自由に回転するのを許容し、
上記ロック機構が上記ロック状態のときに、上記ロック機構は、上記第１リンクが上記第２リンク１１０に対して上記第１回転方向に回転するのを妨げ、上記第１リンクが上記第２リンクに対して、上記第１回転方向と逆方向の上記第２回転方向に回転するのを許容するように構成される、上記ロック機構と、
上記ロック機構と通信するコントローラであって、上記少なくとも１つの脚部センサによって生成された上記脚部信号の計測に基づいて、上記ロック機構を上記ロック状態から上記ロック解除状態に移動させるように構成された、上記コントローラとを有することを特徴とするロボット関節。
【請求項２２】
上記コントローラは、上記ロボット関節が上記ロック状態であり、かつ、上記脚部信号が、上記人の上記大腿部の、上記垂直重力線および上記人の上記胴体と実質的に平行な上記線からなる上記グループから選択された上記線に対する上記絶対角度が予め定められた最小の負の大腿部角度より小さいことを示すときに、上記ロボット関節を上記ロック解除状態に移行させるように適合化される請求項０記載のロボット関節。
【請求項２３】
上記コントローラは、上記ロボット関節が上記ロック解除状態であり、かつ、上記脚部信号が、上記人の上記大腿部の、上記垂直重力線および上記人の上記胴体と実質的に平行な上記線からなる上記グループから選択された上記線に対する上記絶対角度が予め定められた最大の正の大腿部角度より大きいことを示すときに、上記ロボット関節を上記ロック状態に移行させるように適合化される請求項０記載のロボット関節。
【請求項２４】
上記第１リンクの上記中間リンクに対する回転の軸、および、上記第２リンクの上記中間リンクに対する回転の軸が実質的に相互に一致する請求項０記載のロボット関節。
【請求項２５】
上記ロック機構が上記ロック状態のとき、上記ロック機構は、上記中間リンクを上記第２リンクに対して上記第１回転方向にロックし、上記中間が上記第２リンクに対して、上記第１回転方向と逆方向の上記第２回転方向に回転するのを許容するように構成される請求項２１記載のロボット関節。
【請求項２６】
人の下肢に結合されるように構成されたロボット関節において、
第１リンクと、
中間リンクであって、第１端部および第２端部を有し、当該中間リンクの第１端部が上記第１リンクに回転可能に結合される、上記中間リンクと、
上記第１リンクおよび上記中間リンクの間に受動的なトルクを発生させるように構成されたトルク発生器と、
上記中間リンクの上記第２端部に回転可能に結合された第２リンクと、
ラップスプリングであって、当該ラップスプリングの第１端が上記第２リンクに結合されている上記ラップスプリングと、
上記ラップスプリングの第２端部を位置付けるために上記ラップバネに結合された少なくとも１つの電気アクチュエータと、
上記少なくとも１つの電気アクチュエータと通信するコントローラと、
上記中間リンクに結合されたアーバーであって、当該アーバーの一部が上記ラップスプリングの内部に位置決めされ、上記アーバーの主軸が上記ラップスプリングの主軸と実質的に平行である、上記アーバーとを有し、
上記コントローラは、上記電気アクチュエータが、上記ラップスプリングの上記第２端部を位置決めして上記第１リンクの上記第２リンクに対する動きを妨げるようになすことを特徴とするロボット関節。
【請求項２７】
上記トルク発生器は、空気圧式シリンダ、油圧シリンダ、油圧部品付きのシリンダ、空気圧式部品付きのシリンダ、ガススプリング、空気スプリング、油圧ダンパ、ロック可能ガススプリング、ロック可能ダンパ、圧縮スプリング、引張スプリング、およびコイルスプリングからなるグループから選択される請求項０記載のロボット関節。
【請求項２８】
第１リンクと、
中間リンクであって、第１端部および第２端部を有し、当該中間リンクの第１端部が上記第１リンクに回転可能に結合される、上記中間リンクと、
上記第１リンクおよび上記中間リンクの間に受動的なトルクを発生させるように構成されたトルク発生器と、
上記中間リンクの上記第２端部に回転可能に結合された第２リンクと、
ロック機構とを有し、
上記ロック機構はロック状態およびロック解除状態の間を切り替え可能であり、
上記ロック機構が上記ロック解除状態のときに、上記ロック機構は上記第１リンクが上記第２リンク１１０に対して第１回転方向および第２回転方向に自由に回転するのを許容し、
上記ロック機構が上記ロック状態のときに、上記ロック機構は、上記第１リンクが上記第２リンク１１０に対して上記第１回転方向に回転するのを妨げるように構成されることを特徴とするロボット関節。
【請求項２９】
上記トルク発生器は、空気圧式シリンダ、油圧シリンダ、油圧部品付きのシリンダ、空気圧式部品付きのシリンダ、ガススプリング、空気スプリング、油圧ダンパ、ロック可能ガススプリング、ロック可能ダンパ、圧縮スプリング、引張スプリング、コイルスプリング、電気モータ、トランスミッション付き電気モータ、および油圧モータからなるグループから選択される請求項０記載のロボット関節。
【請求項３０】
上記第１リンクの上記中間リンクに対する回転の軸、および、上記第２リンクの上記中間リンクに対する回転の軸が実質的に相互に一致する請求項０記載のロボット関節。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２０１６年６月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／３５４，２６３号の利益を主張するものであり、その全体が全ての目的のために本出願において引用される他の全ての参考文献と共に参照してここに組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
ここに記載される装置は、外骨格脚部に組み込まれるように構成された、エネルギー的に受動的な外骨格膝関節である。
【背景技術】
【０００３】
下肢外骨格技術は、医療および増強分野の利益に向けられてきた。外骨格設計における機能的モジュール性により、施術者は着用者のニーズと能力に合わせて調整できる外骨格を処方することができる。ほとんどのモジュール式膝外骨格技術は医学または増強の領域にあるけれども、スタンス支援型膝外骨格は、身体障害でない個人、ならびに大腿四頭筋機能低下または膝関節虚弱の個人の双方に有益である。
【０００４】
完全に受動的なシステムは低コストであるが機能性が限られている。動力装備されたシステムは多様な機能を具備するけれども高価で大型である。マイクロコントローラ制御の抵抗性膝は、完全に受動的なシステムよりも機能的に多様であるけれども、動きに対してシステムインピーダンスを提供するだけであり、高価になる可能性がありる。
【０００５】
受動マイクロコントローラ制御システムは、低コストで機能的に多用途のシステムを実現することができる。必要な機能の一部をシステムの機械的ハードウェアに組み込むことで、マイクロコントローラの負担とセンサの必要性が軽減される。
【発明の開示】
【０００６】
エネルギー上受動的なロボット関節のいくつかの実施例がここに説明される。これらのエネルギー的に受動的な関節は、様々な外骨格、矯正システム、補綴装置およびロボット歩行機械に使用することができる。これらの実施例は、移動エネルギーに使用され得るいかなる外部電力も使用しないけれども、バッテリを用いて、計算および制御のためにマイクロコンピュータおよび関連するセンサに電力を供給して良い。これらのエネルギー的に受動的なロボット関節は、他の行動に加えて、歩行運動を生み出すのに必要とされる２つの有用な特徴を実現する。すなわち、１）これら関節は、必要なときに、屈曲に応答して適切な抵抗を実現し、それでいて、関節が負荷を受けていても伸張が常に自由である（例えば外骨格膝関節のスタンスフェーズ）。２）これら関節は、必要なときに自由な屈曲および伸長を実現することができる（例えば、外骨格膝関節のスイングフェーズ）。これら２つの状態を切り替えることで、移動に必要な基本特性を実現できる。これらのエネルギー的に受動的なロボット関節の基本的な振る舞いは、抽象的な形の電気機械部品を使って説明される。次に、これらのエネルギー的に受動的なロボット関節が、外骨格、矯正システム、補綴装置およびロボット歩行機械用の人工膝としてどのように設計され構築されるかを示すために設計された実施例が説明される。最後に、いくつかの実施例が、外骨格の矯正脚部のためにこれらのエネルギー的に受動的なロボット関節を使用することを教示するために説明されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】エネルギー上受動的なロボット関節の実施例の模式図を示す。
【図２】本開示の１実施例の模式図である。
【図３】人の下肢に装着されたエネルギー上受動的なロボット関節の模式図である。
【図４】エネルギー上受動的なロボット関節の１実施例を示す。
【図５】図４に示す実施例の分解図である。
【図６】図４に示す実施例の一部の分解図である。
【図７】図４に示す実施例の一部の分解図である。
【図８】図４に示す実施例の一部の分解図である。
【図９】ロック機構がロック状態である１実施例を示す。
【図１０】ロック機構がロック状態である１実施例を示す。
【図１１】ロック機構がロック解除状態である１実施例を示す。
【図１２】ロック機構がロック解除状態である１実施例を示す。
【図１３】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【図１４】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【図１５】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【図１６】コントローラの状態マシーンの１実施例を示す。
【図１７】装着者の大腿部の角度を示す。
【図１８】予め定められた最大の正の大腿部角度および予め定められた最小の負の大腿部角度を示す。
【図１９】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【図２０】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【図２１】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【図２２】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【図２３】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【図２４】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【図２５】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【図２６】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【図２７】ロボット関節の１実施例を有する矯正外骨格の１実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の説明において、提示された概念の完全な理解を実現するために多数の具体的な詳細が述べられる。提示された概念は、これらの具体的な詳細のいくつかとともに実践され、または、いずれと伴うことなしに実践されて良い。他の例では、記載された概念を不必要にあいまいにしないようにするために、周知のプロセス操作は詳細には記載されていない。いくつかの概念が特定の実施例と併せて説明されるが、これらの実施例は限定を意図するものではないことが理解されよう。
【０００９】
図１はエネルギー受動的ロボット関節１００を示す。ロボット関節１００は、第１リンク１０２、中間リンク１０４、トルク発生器１０８、第２リンク１１０、およびロック機構１１２を有する。中間リンク１０４は、第１リンク１０２に対して当該中間リンク１０４の第１端部１３１から回転可能に連結されており、当該第１端部１３１において、第１ジョイント１０６が中間リンク１０４の第１リンク１０２に対する回転を実現する。トルク発生器１０８は、第１リンク１０２と中間リンク１０４との間にトルクを発生させることができる。第２リンク１１０は、中間リンク１０４の第２端部１３３に回転可能に連結されている。ロック機構１１２は、第２リンク１１０が中間リンク１０４に対して撓むときに、中間リンク１０４に対する第２リンク１１０の回転運動を妨げることができる。換言すると、ロック機構１１２がそのロック状態にあるとき、角度１５４は容易に小さくすることができず、ロック機構１１２の性質に応じて決定される限界において、角度１５４は少しも小さくできなくなる。開示さえる１実施例において、ロック機構１１２がそのロック状態にあるとき、角度１５４は容易に小さくすることはできず、限界において、ロック機構１１２の性質に応じて、角度１５４はまったく小さくすることはできないけれども、大きくすることは常に可能である。が常に小さくすることができる。換言すると、本開示のいくつかの実施例において、ロック機構１１２がそのロック状態にあるとき、中間リンク１０４および第２リンク１１０は、角度１５４が小さくならずに常に大きくなり得るように互いにロックされる。ロック機構１１２がそのロック解除状態にあるとき、中間リンク１０４および第２リンク１１０は常に互いに対して回転することができ、角度１５４は常に大きく、または小さくなることができる。
【００１０】
図１の概念をよりよく理解するために、第１リンク１０２が大腿部リンクであり、第２リンク１１０が外骨格矯正システムの頸部リンクであると仮定する。さらに、中間リンク１０４が非常に短い長さを有すると仮定する。第１方向１１１および第２方向１１３は、第１リンク１０２に対する第２リンク１１０の回転運動を表す。角度１５３の減少または角度１５４の減少は、第１リンク１０２に対する第２リンク１１０の第１方向１１１への回転をもたらす。角度１５３の増加または角度１５４の増加は、第２方向１１３に沿った第１リンク１０２に対する第２リンク１１０の回転をもたらす。角度１５３が小さくなると、中間リンク１０４および第１リンク１０２は互いに対して撓む。角度１５３が大きくなると、中間リンク１０４と第１リンク１０２は互いに対して伸長する。角度１５４が小さくなっているとき、第２リンク１１０と中間リンク１０４は互いに対して撓んでいる。角度１５４が大きくなっているとき、第２リンク１１０および中間リンク１０４は互いに対して伸長する。第２リンク１１０が第１方向１１１に沿って動いているとき、第２リンク１１０が第１リンク１０２に対して曲がっていることを意味する。第２リンク１１０が第２方向１１３に沿って動いているとき、第２リンク１１０が第１リンク１０２に対して伸びていることを意味する。そして、いくつかの実施例において、ロック状態では、ロック機構１１２は、第１回転方向１１１への第１リンク１０２に対する第２リンク１１０の回転を妨げるように構成される。いくつかの実施例において、非ロック状態では、ロック機構１１２は、第２リンク１１０の第１リンク１０２に対する第１方向１１１および第２方向１１３の自由回転を可能にする。「自由回転」は、残留摩擦力によってのみ妨げられる運動として定義される。
【００１１】
いくつかの実施例において、第２リンク１１０は、ロック機構１１２の状態にかかわらず、常に第２方向１１３に沿って中間リンク１０４に対して延びることができる。これは、角度１５４がロック機構１１２の状態に関係なく常に大きくなることを意味する。ただし、ロック機構１１２がロック状態のときには、ロック機構１１２がロック状態にあるとき、ロック機構１１２は、中間リンク１０４に対する第２リンク１１０の屈曲運動のみを妨げることができる。これは、ロック機構１１２がそのロック状態にあるときに、ロック機構１１２が角度１５４を実質的に小さくすることを妨げ得ることを意味する。ロック機構１１２の屈曲に対するこのインピーダンスのレベルは変動し得る。本開示のいくつかの実施例において、ロック機構１１２は、ロック機構１１２がそのロック状態にあるときに、第２リンク１１０と中間リンク１０４とを完全にロックして、中間リンク１０４に対する第２リンク１１０の回転屈曲を防止することができる。しかしながら、第２リンク１１０および中間リンク１０４は、ロック機構１１２がロック状態またはロック解除状態にあるかどうかにかかわらず、互いに対して延びることができる。図１に示す実施例は新規な特徴を有し、これは以下に説明される。
【００１２】
好ましい実施例において、ロック機構１１２がそのロック状態にあるときの動作を説明すると、第２リンク１１０は中間リンク１０４にロックされる。この場合、第２リンク１１０および中間リンク１０４は１つの剛体として作用し、相互に対して曲がることはできない。ただし、中間リンク１０４および第２リンク１１０の両方は常に相互に対して延びることができる。一旦、ロック機構１１２が第２リンク１１０および中間リンク１０４の相互に対する屈曲を妨げると、中間リンク１０４および第２リンク１１０の、全体としての、第１リンク１０２に対する回転運動は、トルク発生器１０８によって第１方向１１１に沿って抵抗を受ける。換言すると、中間リンク１０４と第２リンク１１０とは、一緒になって、第１方向１１１に沿って第１リンク１０２に対して自由に撓むことはできない。ただし、第２リンク１１０は第２方向１１３に沿って回転自由である（すなわち、第２リンク１１０はいつでも第１リンク１０２に対して伸長できる）。ロック機構１１２がロック解除状態にあるとき、第２リンク１１０は、第１方向１１１および第２方向１１３によって示される両方向に沿って、第１リンク１０２に対して自由に回転する。すなわち、ここに説明される実施例においては、ロック機構１１２の状態に応じて、第２リンク１１０が第１方向１１１に沿って第１リンク１０２に対して自由運動または抵抗運動のいずれかが可能になる。ロック機構１１２がロック状態のときには、トルク発生器１０８は第１リンク１０２と第２リンク１１０との間の屈曲運動に対する抵抗を与えるけれども、第１リンク１０２と第２リンク１１０との間では常に妨げられることのない運動が可能になる。ロック機構１１２がロック解除状態のときには、第１リンク１０２および第２リンク１１０の間の屈曲および伸長運動に抵抗がない。これの重要性は以下にさらに説明される。
【００１３】
本開示のいくつかの実施例において、中間リンク１０４に対する第１リンク１０２の回転軸と、中間リンク１０４に対する第２リンク１１０の回転軸とは、互いに実質的に平行である。本開示のいくつかの実施例において、中間リンク１０４に対する第１リンク１０２の回転軸と中間リンク１０４に対する第２リンク１１０の回転軸とは互いに一致している。これにより、中間リンク１０４の長さがゼロになる。図２は、中間リンク１０４がゼロ長さを有するロボット関節５００の実施例を示す。中間リンク１０４の長さはゼロに短縮されているので、両方のジョイント１０６および１１４は互いに一致する。この構造は、それがより小さなロボット関節をもたらすので特に重要である。図２に示される実施例は、人によって着用される外骨格矯正脚の膝関節として大きな用途を有する。これは図３に示され、この図においてロボット関節５００が人に着用されている。ロック機構１１２がロック状態にあるとき、中間リンク１０４は第２リンク１１０に対してロックされる。これにより、第１リンク１０２に対する第２リンク１１０の回転が妨げられる。しかしながら、第２リンク１１０および中間リンク１０４は常に自由に伸長するので（ロック機構１１２は、第２リンク１１０および中間リンク１０４が相互に対して屈曲するときのみ第２リンクおよび中間リンク１０４を一体にロックする）、第２リンク１１０および第１リンク１０２は互いに対して伸長することができる。これは、（人の大腿部１８０に結合された）第１リンク１０２に対する（人の脛部１８２に結合された）第２リンク１１０の動きが膝の屈曲中に妨げられるけれども伸長は自由である、ロボット関節５００のスタンスフェーズを表す。ロック機構１１２がロック解除状態にあるとき、第１リンク１０２に対する第２リンク１１０の回転は両方向１１１および１１３において自由である。これは、人の脛部１８２が人の大腿部１８０に対して屈曲回転および伸長回転の両方で自由に動くロボット関節５００のスイングフェーズを表す。要約すると、図３に示されているロボット関節は、矯正具または義足に必要な特性をうまく再現することができる。スタンスフェーズが終了する直前に、ロック機構１１２は第２リンク１１０から中間リンク１０４のロックを解除する。これにより、スイングフェーズの間に必要な屈曲および伸長のために、中間リンク１０４に対する第２リンク１１０の自由運動が引き起こされる。脚が地面を打つ直前に、ロック機構１１２は、第２リンク１１０が、それ以上、中間リンク１０４に向かって動くことができないロック状態に移動する（すなわち、第２リンク１１０は中間リンク１０４に対して屈曲できない）。ロック機構１１２がロック状態のとき、中間リンク１０４に対する第２リンク１１０の伸長は可能である。これは、ロボット関節５００を装着している人が、ロック機構１１２の状態に関係なく常に伸びることができることを意味する。
【００１４】
図３に示すように、本開示のいくつかの実施例において、第１リンク１０２は人の大腿部１８０と同調して動くように構成可能であり、第２リンク１１０は人の脛部１８２と同調して動くように構成可能である。本開示のいくつかの実施例において、第１リンク１０２は人の大腿部１８０と結合するように構成可能であり、第２リンク１１０は人の脛部１８２と結合するように構成可能である。後述するように、この結合を可能にするために様々な装具を使用することができる。すなわち、ロボット関節５００を逆の位置で使用することができる。これは、本開示のいくつかの実施例において、第１リンク１０２は、人の脛部１８２と同調して動くように構成可能であり、第２リンク１１０は、人の大腿部１８０と同調して動くように構成可能であることを意味する。本開示のいくつかの実施例において、第１リンク１０２は人の脛部１８２と結合するように構成可能であり、第２リンク１１０は人の大腿部１８０と結合するように構成可能である。この連結を可能にするために様々な装具を使用することができる。いくつかの実施例において、これらの装具は、ストラップ、剛性接続、半剛性接続、またはこれらの要素の組み合わせの形態をとって良い。
【００１５】
本開示のいくつかの実施例において、トルク発生器１０８は、第１リンク１０２と中間リンク１０４との間に受動的な抵抗トルクを発生させることができる。本開示のいくつかの実施例において、トルク発生器１０８は、動力を加えるためにどのような外部エネルギー源を必要とすることがない。この場合、トルク発生器１０８は、第１リンク１０２および中間リンク１０４を互いに対して屈曲しようと試みる外部屈曲トルク（例えば、着用者によって加えられるトルク）に抗する単純なばねとして想像することができる。これらの実施例において、トルク発生器１０８は受動抵抗トルクを発生する一般的な機構を表す。トルク発生器１０８の例には、それだけには限らないが、空気圧または油圧のシリンダ、または油圧および空気圧部品を備えたシリンダ、ガススプリング、油圧ダンパ、ロック可能ガススプリング、およびロック可能ダンパが含まれる。本開示のいくつかの実施例において、トルク発生器１０８は、中間リンク１０４に対する第１リンク１０２の全ての動きに抵抗するように、ロックすることができる。これらの実施例において、トルク発生器をロック解除するためのアクチュエータが存在して良い。本開示のいくつかの実施例において、ロック可能トルク発生器１０８用のアクチュエータは、電気モータ、変速機付き電気モータ、ソレノイド、油圧アクチュエータ、および空気圧アクチュエータからなるグループから選択される１つの要素または要素の組合せを有する。
【００１６】
本開示のいくつかの実施例において、トルク発生器１０８は、第１リンク１０２と中間リンク１０４との間に任意のトルクを発生させることができる能動素子である。この場合、トルク発生器１０８は、外部トルクに関係なく、第１リンク１０２および中間リンク１０４の間に屈曲および伸長トルクを実現するアクチュエータとして考えることができる。本開示のこれらの実施例において、トルク発生器１０８で制御可能なトルクを実現するために電気モータおよびアクチュエータが使用される。これにより、トルク発生器１０８のトルクプロファイルを様々なタスクに合わせてカスタマイズすることが可能になる。例えば、歩くときと階段を上るときには、人の膝で異なるトルクプロファイルが必要である。
【００１７】
図４は、上述し、図１、図２、および図３に示される実施例の動作に基づいて設計されたロボット関節５００の実施例を示している。図５は、図４に示すロボット関節５００の分解図を示す。この実施例において、第１ジョイント１０６と第２ジョイント１１４は互いに一致し、したがって中間リンク１０４は長さゼロである。図４から図８を参照して、ロボット関節５００について以下に説明する。ロボット関節５００の実施例は、第１リンク１０２と、第１リンク１０２に回転可能に連結された中間リンク１０４とを有する。中間リンク１０４は、ジョイント１０６と第２ジョイント１１４との間の距離である長さがゼロであり、これは図５に示すとおりである。ロボット関節５００は、第１リンク１０２と中間リンク１０４との間に抵抗トルクを発生させることができるトルク発生器１０８をさらに有する。トルク発生器１０８は、その第１端部５７からアーム１５５（中間リンク１０４の構成要素）に回転可能に連結されている。トルク発生器１０８は、その第２端部５９から第１リンク１０２に回転可能に連結されている。本開示のいくつかの実施例において、トルク発生器１０８はガススプリングである。本開示のいくつかの実施例において、トルク発生器１０８は圧縮コイルばねである。本開示のいくつかの実施例において、第１リンク１０２はクレビス１５９（図７および図８に示す）を有する。クレビス１５９は第１リンク１０２の一部として製造することができる。トルク発生器１０８の第２端部（５９で示す）はクレビス１５９で第１リンク１０２に回転可能に結合されている。図５は回路基板１２９上のコントローラ１２０およびバッテリ１２７も示す。
【００１８】
ロボット関節５００は、中間リンク１０４に回転可能に連結された第２リンク１１０をさらに有する。開示のいくつかの実施例において、第２リンク１１０は主軸１５６を有する。主軸１５６の非円形雄ボス１５２（図６に示す）を、ディスク１１８の対応する非円形雌切欠き１５１およびファスナ（図示しない）を穴１５７を通じて接合させて、第２リンク１１０およびディスク１１８の結合が実現される。ディスク１１８は明瞭にするために図６に断面図として示される。このアーキテクチャによれば、図６に示されるように、ディスク１１８と第２リンク１１０とは互いに結合され、同じ速度で回転する。
【００１９】
トルク発生器１０８およびロック機構１１２がない場合、第１リンク１０２、第２リンク１１０および中間リンク１０４は、主軸１５６の軸線１４５に沿って独立して回転する。穴１５７を通るファスナー（図７には示さず）が、第２リンク１１０、第１リンク１０２、および中間リンク１０４を一体に含む組立体を保持する。また、わかりやすくするために、これらのジョイントの間にあるすべての回転ベアリングは削除されている。円滑な回転運動のためには、第２リンク１１０と中間リンク１０４と第１リンク１０２との間にベアリング面（例えば、ボールベアリング、またはローラーベアリング）がなければならないことを当業者は理解するであろう。
【００２０】
図８に示すように、ロック機構１１２は、ラップスプリング１１７、ディスク１１８、およびアクチュエータ１１５を有する。ラップスプリング１１７の第１端部１５８は、第２リンク１１０に連結されている。この連結は、様々な機械的方法によって達成することができる。ただし、連結の実施例は、図８を用いて以下に説明される。ラップスプリング１１７の第２リンク１１０への結合は、ディスク１１８およびクランプ１１６を使用することによって容易に実現される。ラップスプリング１１７の第１端部１５８はディスク１１８の周りに取り付けられる。クランプ１１６はラップスプリング１１７の第１端部１５８をディスク１１８にクランプする。本開示のいくつかの実施例において、クランプ１１６は、ラップスプリング１１７の１つまたは複数のコイルをディスク１１８にクランプすることができる。上述し、また図７に示すように、ディスク１１８および第２リンク１１０は互いに連結されており、同じ速度で回転する。第２リンク１１０とディスク１１８との間の結合は、第２リンク１１０上の非円形雄ボス１５２（図６に示す）をディスク１１８上の対応する非円形雌切欠き１５１およびファスナ（図示せず）に連結することによって達成される。ラップスプリング１１７の第２端部１１９は、中間リンク１０４のアーバー１０９の円筒形表面がラップスプリング１１７の実質的に主軸１４５と平行になるようにラップスプリング１１７の実質的に内側に位置するように中間リンク１０４のアーバー１０９の円筒形表面に巻き付けられる。ロック機構１１２は、第２リンク１１０に連結されたアクチュエータ１１５をさらに有する。アクチュエータ１１５は、ラップスプリング１１７の第２端部１１９を移動させて中間リンク１０４のアーバー１０９の円筒形表面と第２リンクとの間に圧力を加えることができる。この圧力は、アーバー１０９の円筒面とラップスプリング１１７との間に抵抗トルクを生じさせる。その結果、ラップスプリング１１７の第２端部１１９を制御することによって、中間リンク１０４と第２リンク１１７との間の抵抗トルクが、制御可能になる。ディスク１１８は第２リンク１１０に結合され（それらは一緒に回転する）、ラップスプリング１１７の第１端部はディスク１１８に結合されることに留意されたい。第２端部が、アクチュエータ１１５の助けを借りて、矢印１４６（図９）に沿って移動するとき、中間リンク１０４と第２リンク１１０との間の抵抗トルクが増大する。第２端部１１９がアクチュエータ１１５の助けを借りて矢印１４７（図１１）に沿って移動するとき、中間リンク１０４と第２リンク１１０との間の抵抗トルクが実質的に減少する。
【００２１】
図９および図１０は、トルク発生器１０８がガススプリングの形態を採用する、本開示の実施例を示す。アクチュエータ１１５が第２端部１１９を矢印１４６に沿って動かすと、ロック機構１１２はロック状態にある。このロック状態では、第２リンク１１０と中間リンク１０４は互いにロックされており、互いに対して屈曲することはできない。この状態では、第１方向１１１に沿った第１リンク１０２に対する第２リンク１１０の動きは、ガススプリングのトルク発生器１０８を圧縮することによって生じる。トルク発生器１０８の圧縮は、図１０に示される。換言すると、アクチュエータ１１５が矢印１４６に沿って第２端部１１９を動かすと、第１リンク１０２と第２リンク１１０との互いに対する屈曲に対する抵抗が生じる。ただし、第２端部１１９が矢印１４６に沿って移動したときでも、第１リンク１０２および第２リンク１１０は常に互いに対して自由に伸長することができる。アクチュエータ１１５が、図１１および図１２に示すように、第２端部１１９を矢印１４７に沿って移動させると、ロック機構１１２はロック解除状態にある。この状態では、第１方向１１１に沿った第１リンク１０２に対する第２リンク１１０の運動は、インピーダンスなしで持続的に起こる（ガススプリングの圧縮なし）。換言すると、アクチュエータ１１５が矢印１４７に沿って第２端部１１９を移動させるとき、第１リンク１０２および第２リンク１１０の互いに対する屈曲に対する抵抗はない。この状況では、第１リンク１０２と第２リンク１１０は常に互いに対して自由に伸長することができる。
【００２２】
本開示のいくつかの実施例において、アクチュエータ１１５は、電気モータ、変速機付き電気モータ、ソレノイド、油圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、および受動的機械的機構からなるグループから選択される１つの要素または要素の組合せを有する。
【００２３】
ロック機構１１２は、当該ロック機構１１２が係止状態にあるときに中間リンク１０４と第２リンク１１０との間の運動を妨げる一般的な機構を表す。図８の実施例において、ロック機構１１２はラップスプリング１１７およびアーバー１０９を用いる。この実施例において、ロック機構１１２は、２つの表面間の摩擦力を利用して、中間リンク１０４に対する第２リンク１１０の回転を妨げるように構成されている。本開示の実施例において、ラップスプリング１１７が使用され、ロック機構１１２において、小型アクチュエータ１１５を使用してロック機構１１２の状態を変化させることができる。当業者は、表面間の摩擦力を利用してロック機構１１２の所望の機能を実現する他の方法があることは容易に理解できる。ロック機構１１２の例は、これに限定されないが、キャリパーブレーキ、ディスクブレーキ、バンドブレーキ、ラチェットおよびポールアセンブリ、双安定リンクアセンブリを含むリンクアセンブリを含む。
【００２４】
図１３は、ロボット関節５００が人の膝に連結され、第１リンク１０２が人の大腿部１８０に連結され、第２リンク１１０が人の脛部１８２に連結される、本開示の実施例を示す。第１方向１１１は膝屈曲運動を示し、第２方向１１３は膝伸長運動である。人の膝関節は、ロボット関節５００の単一回転軸１４５と実質的に一致する。
【００２５】
図１３に示すように、本開示のいくつかの実施例においては、ロボット関節５００は人の膝に結合され、第１リンク１０２が人の大腿部１８０と調和して動くように構成され、第２リンク１１０は人の脛部１８２と調和して動くように構成される。本開示のいくつかの実施例において、ロボット関節５００は、人の大腿部１８０への結合を可能にする大腿部コネクタ１３２をさらに有する。本開示のいくつかの実施例において、ロボット関節５００は、人の脛部１８２への結合を可能にする脛部コネクタ１３４をさらに有する。本開示のいくつかの実施例において、大腿部コネクタ１３２および脛部コネクタ１３４はブレースを有する。図１３においては、第１リンク１０２および第２リンク１１０を人の大腿部１８０および脛部１８２に連結する例としてブレースが使用されているけれども、当業者であれば、第２リンク１１０および第１リンク１０２を人の脛部１８２および大腿部１８０と一体に動かす多くの方法および装置を採用できることを理解するであろう。脛部ブレースおよび大腿部ブレースを用いた結合は、第１リンク１０２を人の大腿部１８０と一体に動かし、第２リンク１１０を人の脛部１８２と一体に動かすただの１つの方法にすぎない。
【００２６】
図１４は、ロボット関節５００が、図１３での使用方法と鏡像関係に態様で採用される実施例を示す。図１４は、ロボット関節５００が人の膝に連結され、第１リンク１０２が人の脛部１８２に連結され、第２リンク１１０が人の大腿部１８０に連結される、本開示の実施例を示す。本開示のいくつかの実施例において、ロボット関節５００は人の膝に連結され、第１リンク１０２は人の脛部１８２と同調して動くように構成され、第２リンク１１０は人の大腿部１８０と同調して動くように構成され、ここで第１方向１１１は膝屈曲方向であり第２方向１１３は膝伸長方向である。当業者は、図１３の実施例の配向を鏡像配置することにより図１４の実施例が実現されることを理解するであろう。したがって、以降の議論は、図１３に列挙される実施例の配向において開示内容を検討するけれども、これは図１４の配向に拡張可能である。
【００２７】
図１５は、人の下肢（ｌｏｗｅｒ  ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ）に連結されるように構成された、ロボット関節５００の実施例を示す。ロボット関節５００は、コントローラ１２０（図５に示す）と、脚部信号１２１を生成することができる少なくとも１つの脚部センサ１２３とをさらに有する。脚部信号１２１は、ロック機構１１２のロック状態およびロック解除状態を制御するためにコントローラ１２０によって使用される。脚部センサ１２３の例は、回転ポテンショメータ、線形ポテンショメータ、磁気エンコーダ、光学エンコーダ、線形可変差動変圧器、容量変位センサ、渦電流近接センサ、可変インダクタンス近接センサ、ロッカースイッチ、スライドスイッチ、加速度計、慣性測定装置、ジャイロスコープ、およびそれらの組み合わせを含むけれども、これらに限定されない。
【００２８】
脚部信号１２１の例は、これに限定されないが、人の大腿部１８０に連結されたリンク（当該リンクは、いくつかの実施例において、第１リンク１０２であり、他の実施例において第２絵リンク１１０である）の垂直重力線１４０または地面１４４に対する絶対角度を表す信号、地面１４４または重力線１４０に対する人の大腿部１８０に結合されたリンクの速度を表す信号、人の大腿部１８０に結合されたリンクの速度を表す信号、地面１４４または重力線１４０に対する人の大腿部１８０に結合されたリンクの加速度を表す信号、人の胴１８１（人の胴は図２１に示されている）と大腿部１８０に結合されたリンクとの間の角度を表す信号、大腿部１８０に結合されたリンクの人の胴１８１に対する速度を表す信号、大腿部１８０に結合されたリンクの人の胴１８１に対する加速度を表す信号、およびこれらの組み合わせを含む。本開示のいくつかの実施例において、コントローラ１２０は第１リンク１０２に結合される。本開示のいくつかの実施例において、コントローラ１２０は第２リンク１１０に結合される。ロボット関節５００の１実施例において、脚部信号１２１は、図１５に示すように、第１リンク１０２の垂直重力線１４０に対する絶対角度を表す信号である。いくつかの実施例において、脚部信号は、図１に示すように、垂直重力線１４０に対する第１リンク１０２の角度は、以下の通りである。いくつかの実施形態では、脚部信号１２１は、垂直重力線１４０および人の胴体と実質的に平行な線からなる群から選択された線に対する人の大腿部１８０の絶対角度を示す。いくつかの実施例において、脚部信号１２１は、垂直重力線１４０および人の胴体と実質的に平行な線からなるグループから選択される線からなる群から選択される線に対する、人の大腿部１８０に連結された、第１リンク１０２または第２リンク１１０の一方の絶対角度を示す。
【００２９】
垂直重力線１４０は重力と平行である。図１５の実施形例において、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）センサは、人の大腿部１８０に固定することができ、人の大腿部１８０または大腿に結合されたリンク（図１３に示す実施例の第１リンク１０２または図１４に示す第２リンク１１０）の垂直重力線１４０に対する絶対角度を生成する。人の大腿部１８０および第１リンク１０２は互いに調和して動くので、脚部センサ１２３は、人の大腿部１８０または第１リンク１０２のいずれかに固定することができる。
図１６は、いくつかの実施形態による、２つの主状態を有するコントローラの有限状態マシーン７００の模式図である。これらの状態は、ロック状態２００およびロック解除状態２０１を含んで良い。ロック解除状態２０１は、ロック機構１１２がそのロック解除状態にあり、第１リンク１０２および第２リンク１１０が互いに対する伸張および屈曲の両方において自由である状態を表す。ロック状態２００は、ロック機構１１２がロック状態にあり、第１リンク１０２および第２リンク１１０の屈曲がトルク発生器１０８によって妨げられていることを表す。
【００３０】
いくつかの実施例において、コントローラ１２０は、最初はロック状態２００であって良い。ロック状態２００において、脚部信号１２１が負の大腿部角度１４３（図１７）によって表される場合（負の大腿部角度１４３は、人の大腿部または人の大腿部１８０に結合されたリンク（すなわち第１リンク１０２または第２リンク１１０）の垂直重力線１４０に対する絶対角度が予め定められた最小の負の大腿部角度１６６より小さいことを表す信号である）、コントローラ１２０はロック解除状態２０１に入って良い。予め定められた最小の負の大腿部角度１６６は図１８に示される。これは、ロボット関節５００がそのロック状態にある（すなわち、ロック機構１１２がそのロック状態にある）場合、そして負の大腿部角度１４３の測定値が予め定められた最小の負の大腿部角度１６６よりも小さくなる場合、有限状態マシーン７００がロック解除状態２０１に遷移することを意味する。この場合、ロック機構１１２はそのロック解除状態２０１に入り、第２リンク１１０が第１リンク１０２に対して自由に屈曲し伸長することを可能にする。
【００３１】
いくつかの実施例において、コントローラ１２０がロック解除状態２０１にあるとき、正の大腿部角度１４２（図１７）で表される脚部信号１２１が予め定められた最大の正の大腿部角度１６５より大きくなると、コントローラ１２０はロック状態２００に入る。予め定められた最大の大腿部角度１６５が図１８に示されている。これは、着用者の脚部がスイング段階にあり、垂線１４２からの正の大腿部角度が予め定められた最大の正の大腿部角度１６５よりも大きくなると、ロック機構１１２がロック状態２００に移動することを意味する。この状態では、図１５のロボット関節５００は自由に伸長できるけれども、トルク発生器１０８は、第１リンク１０２および第２リンク１１０が相互に対して屈曲する際に抵抗を付与する。この抵抗は、ロボット関節５００が潰れるのを防ぎ、歩行のスタンスフェーズの間に着用者の脚部を支持する。
【００３２】
コントローラは、外部入力に基づいてロック解除状態２０１およびロック状態２００に移動することができ、この外部入力は脚部センサ１２３によって生成された脚部信号１２１とは異なって良い。
【００３３】
いくつかの実施例において、ロボット関節１００または５００は、例えば図１３２に示されるように手動ロック装置２０８を有する。手動ロック装置２０８は、コントローラ１２０用のロック信号２０６を生成するように構成される。動作中に手動ロック装置２０８が起動され、コントローラ１２０がロック信号２０６を受信すると、有限状態コントローラはロック状態２００に移行する。上述したようにロック状態において、ロック機構１１２はそのロック状態にあり、第１リンク１０２および第２リンク１１０の屈曲運動はトルク発生器１０８によって抵抗される。この場合、第２リンク１１０に対する第１リンク１０２の伸長運動は自由で妨げられない。本開示のいくつかの実施例において、トルク発生器１０８の性質に応じて、第２リンク１１０に対する第１リンク１０２の伸長運動を補助することができる。
【００３４】
いくつかの実施例において、ロボット関節１００または５００は、例えば図１３に示されるように手動ロック解除装置２０９を有する。手動ロック解除装置２０９は、コントローラ１２０のための手動ロック解除信号２０３を生成するように構成される。手動ロック解除装置２０９が起動され、コントローラ１２０が手動ロック解除信号２０３を受信すると、ロボット関節１００または５００はロック解除状態２０１に移動する。ロック解除状態２０１において、ロック機構１１２はそのロック解除状態にあり、第１リンク１０２および第２リンク１１０は自由に相互に対して屈曲し伸長する。
【００３５】
本開示のいくつかの実施例において、ロボット関節１００または５００は、手動着座装置２０７を有する。手動着座装置２０７は、コントローラ１２０のために着座信号２０５を生成するように構成される。動作を説明すると、着座装置２０７が起動されコントローラ１２０が着座信号２０５を受信すると、ロボット関節１００または５００がロック解除状態２０１に移行する。これにより、着用者は、抵抗なく、快適に椅子に座ることができる。
【００３６】
いくつかの実施例において、図１５に示すように、予め定められた最小の負の大腿部角度１６６、および、予め定められた最大の正の大腿部角度１６５は、ユーザインターフェース１２６を使用してコントローラ１２０に割り当てられる。いくつかの実施例において、ユーザインターフェース１２６は、これに限定されないが、押しボタン、スイッチ、瞬間スイッチ、スライドスイッチ、ノブ、ポテンショメータ、エンコーダ、またはそれらの組み合わせなどの任意の信号発生器を含む。いくつかの実施例において、ユーザインターフェース１２６はグラフィカル着用者インターフェースを有して良い。グラフィカル着用者インターフェース１２６のいくつかの例は、携帯電話、タブレット、ラップトップ、デスクトップ、モニタ、およびそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。ユーザインターフェース１２６は、ロック信号２０６、ロック解除信号２０３、および着座信号２０５を生成し、その信号（および他の情報）をコントローラ１２０に送信するように構成される。
【００３７】
ロック信号２０６は、コントローラを任意の状態からそのロック状態２００に移動させることができる。ロック解除信号２０３は、コントローラ１２０を任意の状態からロック解除状態２０１に移動させることができる。着座信号２０５は、コントローラ１２０を移任意の状態からロック状態２００に動させることができる。いくつかの実施例において、ユーザインターフェース１２６は、無線プロトコルを介して無線でコントローラ１２０と通信する。いくつかの実施例において、ユーザインターフェース１２６は有線でコントローラ１２０と通信する。
【００３８】
ロボット関節１００または５００は、様々な構成で使用することができる。図１９は、ロボット関節５００を有する外骨格３００の１実施例を示す。図１９に示す実施例において、第１リンク１０２は人の大腿部１８０に連結され、第２リンク１１０は人の脛部１８２に連結される。人の膝関節は単一回転軸１４５と実質的に整列する。第２リンク１１０は、地面へと延び、足部リンク１０３に連結され、もって、足部リンク１０３が第２リンク１１０に対して、くるぶしジョイント１０１の周りを回転できるようになっている。本開示のいくつかの実施例において、足部リンク１０３は、人の足部１８３に結合されている。足部リンク１０３は、様々な形態のストラップやブレースを使用して、人の足部１８３と協調して動くように着用者に結合されている。本開示のいくつかの実施例において、足部リンク１０３は靴１８４中に埋め込まれる。本開示のいくつかの実施例において、足部リンク１０３は着用者の靴の外側で着用される。本開示のいくつかの実施例において、足部リンク１０３は着用者の靴の内側で着用される。
【００３９】
本開示のいくつかの実施例において、例えば図１９に示す実施例において、外骨格３００は、ロボット関節５００と、人の足部１８３に連結することができる、くるぶし外骨格４０２とを含む。本開示のいくつかの実施例において、くるぶし外骨格４０２は、第２リンク１１０に接続可能である。本開示のいくつかの実施例において、例えば図１９に示すように、くるぶし外骨格４０２は、着用者の靴１８４の外側で着用される。
【００４０】
図２０〜図２２は、ロボット関節５００が様々な短下肢装具（ａｎｋｌｅ−ｆｏｏｔ−ｏｒｔｈｏｓｉｓ）と共に様々な構成で使用され得る、本開示の実施形態を示す。
【００４１】
本開示のいくつかの実施例において、図２０に示すように、外骨格４００はロボット関節５００と、短下肢装具４０４と有する。この実施例において、短下肢装具４０４は、インソールのように着用者の靴の内側で着用される（明確にするために着用者の靴は示されていない）。当業者であれば、ロボット関節１００または５００と共に使用することができる多くの形態の内部および外部の短下肢装具に想到することができる。
【００４２】
図２０は、短下肢装具４０４が標準的なソリッドな短下肢装具である外骨格４００の実施例を示す。このタイプの短下肢装具は足底屈（ｐｌａｎｔａｒｆｌｅｘｉｏｎ）を停止し、また背屈（ｄｏｒｓｉｆｌｅｘｉｏｎ）を停止または制限する。
【００４３】
図２１は、ロボット関節５００と、短下肢装具４０６とを備え、当該短下肢装具４０６が固定（ただし、しばしば調整可能である）のヒンジを伴う、標準的な短脚部の短下肢装具（ＡＦＯ）である、外骨格４５０の実施例を示している。このタイプのＡＦＯは比較的軽量で靴にフィットしやすい。短下肢装具４０６は足部リンク２１０を有する。
【００４４】
図２２は、ロボット関節５００と短下肢装具４０８を含み、当該装具４０８が足底屈曲停止ＡＦＯである外骨格６００を示す。このＡＦＯは、足部リンク２１１を下方に向けさせないことによって、足底屈を停止させるように作用する。このタイプのＡＦＯは足部の通常の背屈を可能にする、くるぶしジョイント１０１を具備する。
【００４５】
種々の短下肢装具の具体的な例を示したけれども、この発明に関連して他のタイプの短下肢装具を利用して良い。例えば、この発明のいくつかの実施例において、短下肢装具はＤｏｒｓｉｆｌｅｘｉｏｎ  Ａｓｓｉｓｔ  ＡＦＯ（図示しない）である。このタイプのＡＦＯは図２１に示したＡＦＯと類似するけれども、足部が地面から離れたときに足部リンクを上昇させるように動作するバネ状ヒンジを具備する。本開示のいくつかの実施例において、短下肢装具は標準的なＰｏｓｔｅｒｉｏｒ  Ｌｅａｆ  Ｓｐｒｉｎｇの短下肢装具である。本開示の発明のいくつかの実施例において、短下肢装具はＥｎｅｒｇｙ  Ｒｅｔｕｒｎの短下肢装具である。このタイプのＡＦＯはＡＦＯの材料に組み込まれた自然な屈曲を採用して足背屈曲を支援する。これらの装置はしばしばカーボン繊維材料から製造される。一般的に、本開示の短下肢装具は、上述の機能を実現できる、内部または外部の短下肢装具の任意の装置または組み合わせを有する。外部または内部の短下肢装具の例は、これに限定されないが、柔軟性のあるＡＦＯ、堅固なＡＦＯ、アメリカマツ曲げを具備するＡＦＯ、抗斜面（ａｎｔｉ−ｔａｌｕｓ）のＡＦＯ、抗斜面（ａｎｔｉ−ｔａｌｕｓ）のＡＦＯ（前面シェルまたは前方にシェルがある）、自由動きくるぶしジョイント付きのＡＦＯ、調整可能な堅固なくるぶしジョイント付きのＡＦＯ、バネ負荷くるぶしジョイント付きのＡＦＯ、調整可能なバネ負荷くるぶしジョイント付きのＡＦＯ、およびこれらの組み合わせを含む。
【００４６】
図２３は、外骨格６１０がさらに外骨格体幹３５０を有する、本開示の１実施例を示す。外骨格体幹３５０は人の上方身体に結合されるように構成される。本開示のいくつかの実施例において、外骨格体幹３５０は、人の上方身体１８１と結合される胴体リンク１３０と結合している。本開示のいくつかの実施例において、外骨格体幹３５０は、バックパックのように人に連結される（図示しない）。本開示のいくつかの実施例において、外骨格体幹３５０は、例えば、図２３に示すように、ベルトのように人に連結される。外骨格体幹３５０は胴体リンク１３０を有し、これが人の上方身体および胴体に結合できる。外骨格体幹３５０は、人の大腿部１８０と連結されるように構成された大腿部リンク１０７をさらに有する。大腿部リンク１０７は人の大腿部１８０と同調して運動するように結合される。いくつかの実施例において、外骨格体幹３５０は、ロボット関節５００の第１リンク１０２に結合される。いくつかの実施例において、外骨格体幹３５０の大腿部リンク１０７はロボット関節５００の第２リンク１１０に結合される。本開示のいくつかの実施例において、外骨格体幹３５０とロボット関節５００とは互いに連結されていない。外骨格体幹３５０は、大腿部リンク１０７を胴体リンク１３０に回転可能に連結するように構成可能な体幹大腿部リンク３５１をさらに有する。本開示のいくつかの実施例において、体幹大腿部リンク３５１は大腿部リンク１０７に連結される。図示されていない代替的な実施例において、体幹大腿部リンク３５１は人の大腿部１８０に結合されている。本開示のいくつかの実施例において、外骨格体幹３５０は、さらに、胴体リンク１３０および体幹大腿部リンクの間にトルクを与えることができるアクチュエータ３５８を有する。軸３５２は、股関節屈曲伸展軸である。コントローラボックス３６７およびアクチュエータ用のバッテリ３６９を図２３に示す。本開示のいくつかの実施例において、脚部信号１２１は垂直重力線１４０または地面１４４に対する第１リンク１０２の絶対角を表す。本開示のいくつかの実施例において、脚部信号１２１は体幹大腿部リンク３５１の垂直重力線１４０または地面１４４（図示せず）に対する絶対角を表す。本開示のいくつかの実施例において、脚部信号１２１は、人の胴体と実質的に平行である胴体リンク１３０に対する体幹大腿部リンク３５１の角度を表す。
【００４７】
図２４〜図２７は、外骨格体幹３５０と、くるぶし外骨格または短下肢装具（例えば、４０２、４０４、４０６、および４０８）のいずれかとの双方を有する、本開示の実施例（外骨格６２０、６３０、６４０、および６５０）を示す。図示の実施例において、本開示の短下肢装具（４０４、４０６、４０８）は、人の足部１８３に連結することができ、第２リンク１１４など、脛部１８２に連結されたリンクに接続することができる。図２４の実施例において、外骨格体幹３５０は、肩ストラップ１８８で人に連結されている。
【符号の説明】
【００４８】
５７    第１端部
５９    第２端部
１００    ロボット関節
１０１    くるぶしジョイント
１０２    第１リンク
１０３    足部リンク
１０４    中間リンク
１０６    第１ジョイント
１０７    大腿部リンク
１０８    トルク発生器
１０９    アーバー
１１０    第２リンク
１１１    第１回転方向
１１２    ロック機構
１１３    第２回転方向
１１５    アクチュエータ
１１６    クランプ
１１７    ラップスプリング
１１８    ディスク
１１９    第２端部
１２０    コントローラ
１２１    脚部信号
１２３    脚部センサ
１２６    ユーザインターフェース
１２７    バッテリ
１２９    回路基板
１３０    胴体リンク
１３２    大腿部コネクタ
１３４    脛部コネクタ
１４０    垂直重力線
１４２    大腿部角度
１４３    大腿部角度
１４４    地面
１４５    主軸
１５１    切欠き
１５２    非円形雄ボス
１５３    角度
１５４    角度
１５６    主軸
１５７    穴
１５８    第１端部
１５９    クレビス
１６５    予め定められた最大の正の大腿部角度
１６６    予め定められた最小の負の大腿部角度
１８０    大腿部
１８１    胴
１８２    脛部
１８３    足部
１８４    靴
１８８    肩ストラップ
２００    ロック状態
２０１    ロック解除状態
２０３    ロック解除信号
２０５    着座信号
２０６    ロック信号
２０７    着座装置
２０８    手動ロック装置
２０９    手動ロック解除装置
２１０    足部リンク
３００    外骨格
３５０    外骨格体幹
３５１    体幹大腿部リンク
３５２    軸
３５８    アクチュエータ
３６７    コントローラボックス
３６９    バッテリ
４００    外骨格
４０２    くるぶし外骨格
４０４    短下肢装具
４０６    短下肢装具
４０８    短下肢装具
４５０    外骨格
５００    ロボット関節
６００    外骨格
７００    有限状態マシーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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